[发明专利]发生器-吸收器-热交换的热传输装置、方法及其在热泵中的应用

说明书

本发明是1993年6月15日提出的申请序号No.08/076759的部分继续，该申请序号又是1991年11月18日提出的申请序号No.07/793644的部分继续，后者已作为美国专利No.5271235于1993年12月21日颁布。

根据能源部颁发的合同15X—17497C，本发明由政府资助。政府对本发明具有一定权利。

本发明涉及致冷和热泵系统，具体涉及发生器—吸收器热交换(“GAX”)型的吸收致冷循环。本发明特别适合于用在燃气的气对空的吸收热泵中。

吸收致冷环环在十九世纪中期提出，起初用于致冷系统。这些循环采用致冷剂/吸附剂混合物，致冷剂蒸气被吸附在液体吸附剂中，由此产生热，接着加热在发生器中的致冷剂/吸收剂混合物，馏出致冷剂蒸气。也产生热的冷凝器和提取热量的蒸发器完成循环。在吸收器中由吸收产生的热量随同冷凝器产生的热量被排到冷却剂中，冷却剂一般是冷却水。

在出现电动机之前，这些早期“单级”循环吸收系统的效率差，但与压缩系统相比，常常得到优先应用，因为操作它们的热能成本低，需要的机械能比压缩系统少得多。但对于大多数的应用，随着燃气和电能相对成本的改变以及电操作压缩系统的改进，这些单级吸收系统的应用衰退了。但是即使在今天，在一些低压溴化锂商品空调系统和在旅游车与宾馆房间的致冷系统中仍在应用单级系统。

在1913年，Altenkirch提出改进的吸收循环。由于将吸收器中产生的一部分热量传输到泵到发生器中的致冷剂/吸收剂流体，因而使得这些系统中的一种比早期的单级循环效率好。这种热量的传输减少了需要输入到发生器使致冷剂/吸收剂混合物中致冷剂蒸发的总热量。这种系被称为吸收器热交换(AHE)循环。

AHE循环于1965年开始用于生产吸收系统，这种系统效率高，足以构成经济的用于住宅冷却空气的空调器。然而即使在这些AHE循环系统中，由吸收器中的吸收过程产生的大部分热量也损失了。AHE循环还试验性地用在气对气的燃气加热泵中，这种泵有利于加热，但绝没有商品化生产。随着能量成本的增加AHE循环空调器显著地失去其操作成本低的优点，在今天只有有限的市场。

在1913年Altenkirch还提出另一种从吸收器回收更多吸收热的吸收循环。这种循环已作为发生器—吸收器的热交换(GAX)循环为大家所知，它利用了外加的热交换系统，由此在吸收器中由吸收过程产生的较高温度热量通过热交换流体传输到发生器的低温部分。GAX循环从吸收器中回收了大量附加热量并利用了比AHE系统高的发生器温度，因而可以达到更高的能量效率。

对于所用的特定燃料，这种GAX系统的加热效率比炉子、锅炉等的效率高得多。

然而先有技术的GAX循环基本概念的缺点是，需要单独的热交换线路，用单独的热交换流体将热量从吸收器传输到发生器。这种热传输线路要求气密密封件、膨胀室、可变流量泵和控制系统，后者在每个特定室外温度下的冷却或加热循环中使热传输流体的流量与由GAX循环传输的热量匹配。这些先有技术的GAX基本概念通常应用保持在液体相的热传输流体，因此仅用了热传输液体的置热。

与标准冷凝器—蒸发器循环一起操作的电热泵已经用在住宅和小型商品性的加热和冷却设备中。在气候相当温和的地区例如美国南方各州，电热泵可以有效地满足住宅或小型商用建筑物的加热和冷却要求，但是气温低于约30°F的地区，这些电加热泵不用辅助加热设备便不能提供必需的加热。另外，这些电加热泵通常应用了致冷剂，它们可以是氢氯碳氟化合物(HCFC′S)或含氯氟烃(CFC′s)，这些物质对环境是有害的。

因此还是需要适合于用在住宅或小型商用加热泵中的发生器—吸收器的热交换装置和方法，这种热交换装置可以有效地将吸收器中的吸收过程产生的大部分热量传输到发生器而不用成本高的容易出故障的独立的热传输线路。

本发明由于提供一种发生器—吸收器热交换装置和方法而满足这种需要，这种装置和方法使用环境上安全的流体作工作流体和热交换流体，可以有效地回吸收器中吸收过程产生的大部分热量，不需要精心制作控制系统，可以有利地应用工作在蒸气相和液相之间的工作流体的潜热和显热两种热量使热量从吸收器传输到发生器，而且由于尺寸小、成本低和效率高，所以可用来满足在广泛的气候范围内对住宅或小型商用加热或冷却的要求，包括在0°F以下进行充分加热。